Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Was "Phase ist", wenn amorphes Silizium flüssig wird

25.10.2004


Physiker der Universität Jena und des Berliner Hahn-Meitner-Instituts weisen erstmals Glasübergang in amorphem Silizium nach und belegen in "Nature Materials"-Publikation die Existenz eines Flüssig-Flüssig-Phasenübergangs


Oberfläche amorpher Silizium-Schicht. Aufgedampfte Goldquadrate verschieben sich während der Ionenbestrahlung mit der Si-Schicht. (Foto: Hedler)



Man sollte meinen, ein Vorgang wie das Schmelzen eines Stoffes ließe aus wissenschaftlicher Sicht keine größeren Fragen mehr offen. Doch bis heute ist für viele Stoffe nicht bis ins Detail verstanden, was auf atomarerer Ebene wirklich passiert, wenn sie vom festen Zustand in den flüssigen übergehen. Physiker der Friedrich-Schiller-Universität Jena und des Berliner Hahn-Meitner-Instituts (HMI) haben den Phasenübergang von amorphem Silizium untersucht und dabei gleich zwei Besonderheiten aufgedeckt. Sie widerlegten zum einen, dass es sich beim Wechsel des Aggregatzustandes um einen echten Schmelzvorgang (Phasenübergang 1. Ordnung) handelt, wie man ihn etwa von Metallen kennt. Zum anderen fanden sie erstmals Hinweise auf einen so genannten Flüssig-Flüssig-Phasenübergang, der bisher nur am Computer simuliert, jedoch nicht in Experimenten nachvollzogen werden konnte. Die Ergebnisse, die einen Paradigmenwechsel darstellen, sind ab heute (25.10.) in der Online-Version der renommierten Fachzeitschrift "Nature Materials" nachzulesen, wo vorab auf die Highlights der nächsten Printausgabe hingewiesen wird.

... mehr zu:
»Atom »Dichte »Flüssigkeit »Silizium


"Entgegen der bisherigen Postulate konnten wir einen zweistufigen Vorgang nachweisen, bei dem sich das amorphe Silizium im ersten Schritt wie Glas verhält", nennt der Erstautor André Hedler das Ergebnis. Dem Physiker, der gerade seine Doktorarbeit an der Universität Jena anfertigt, ist es gemeinsam mit Dr. Siegfried Klaumünzer und Prof. Dr. Werner Wesch gelungen, zu zeigen, was beim Phasenübergang Phase ist.

In amorphem Silizium, das etwa in Solarzellen von Taschenrechnern zum Einsatz kommt, hat jedes Atom vier Nachbarn, die jeweils in den Ecken von Tetraedern angeordnet sind. Bei einer Temperaturerhöhung gerät dieses Gerüst aus den Fugen, so dass dann im flüssigen Silizium ein Atom von sechs Nachbarn umgeben ist. Die Siliziumatome rücken also näher zusammen, weswegen flüssiges Silizium auch eine erheblich höhere Dichte aufweist. Da dieser Umbau jedoch in wenigen Picosekunden abläuft, hatten bisherige Experimente den genauen Verlauf nicht hinreichend erklären können. "Lässt man sich beim Messen zu lange Zeit, kann man lediglich konstatieren, dass das, was vorher fest war, nun als Flüssigkeit vorliegt", nennt Hedler ein Hauptproblem. Deshalb bediente er sich der Methode des "Ion-Hammering", ein Effekt, der 1983 von dem Co-Autor Klaumünzer vom HMI entdeckt worden ist. Dabei wird eine mikrometerdünne Schicht eines festen Stoffes mit Ionen beschossen.

Diese Behandlung führt dazu, dass die Schicht hinterher platt ist, als ob ein Schmied sie auf einem Amboss breitgehämmert hätte. Das kommt dadurch, dass das Material entlang der "Ionenbohrlöcher" flüssig wird. Da diese kurzzeitig entstehende Flüssigkeit Schubspannungen, die entlang der Ionenbahn entstehen, abbaut, wird die Schicht auf bestimmte Art und Weise deformiert. "Würde der Übergang vom festen in den flüssigen Zustand in amorphem Silizium genau so ablaufen wie bisher angenommen, so würde man nach Ionenbestrahlung eine entgegengesetzte Deformation feststellen", erklärt André Hedler. Seine Ergebnisse sprechen jedoch eine andere Sprache, ergo ist der Phasenübergang kein Schmelzprozess 1. Ordnung.

Was anders ist, beschreibt der Jenaer Nachwuchsforscher wie folgt: "Wir messen zwar eine plastische Deformation, d. h. für hinreichend hohe Energien werden Schubspannungen abgebaut. Doch die Richtung, in die die Spannungen abgebaut werden, ist nicht die erwartete. Das amorphe Silizium reagiert wie ein Glas." Diese Beobachtung setzt jedoch voraus, dass man im richtigen Zeitfenster auf die Probe blickt. Das ist Hedler und seinen Kollegen gelungen. Sie erwischten das Silizium dabei, wie es sich für kurze Zeit ausdehnte. An diesem Punkt liegt es bereits als Flüssigkeit vor, aber jedes Atom hat immer noch vier Nachbarn, die weiter voneinander wegrücken. Ehe man sich versieht, ist jedoch die Temperatur erreicht, bei der die Atome wieder näher zusammenrücken, so dass nun ein Atom sechs Nachbarn und die Flüssigkeit eine höhere Dichte hat.

"Bisher wurde amorphes Silizium nicht als Glas angesehen", berichtet Hedler. Denn letzten Endes liegt bei ausreichend hohen Temperaturen eine Flüssigkeit mit höherer Dichte vor. Ein solcher Effekt tritt in Glasschmelzen nicht auf. Dass er nachweisen konnte, dass Silizium sowohl als weniger dichte Flüssigkeit (LDL-Silizium) als auch als Flüssigkeit mit hoher Dichte (HDL-Silizium) vorliegt, impliziert, dass nach dem Glasübergang noch ein Flüssig-Flüssig-Phasenübergang erfolgt. Dieses Phänomen wird auch für Wasser angenommen.

Der Artikel von A. Hedler, S. Klaumünzer und W. Wesch "Amorphous silicon exhibits a glass transition" erscheint in der Novemberausgabe von "Nature Materials" und ist als "Advanced Online Publication" im Internet abrufbar.

Kontakt:

Dipl.-Phys. André Hedler
Institut für Festkörperphysik der Universität Jena
Helmholtzweg 3, 07743 Jena
Tel.: 03641 / 947333
E-Mail: Hedler@pinet.uni-jena.de

Stefanie Hahn | idw
Weitere Informationen:
http://www.nature.com/cgi-taf/dynapage.taf?file=/nmat/journal/vaop/ncurrent/index.html

Weitere Berichte zu: Atom Dichte Flüssigkeit Silizium

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Wie Reize auf dem Weg ins Bewusstsein versickern
22.09.2017 | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

nachricht Lebendiges Gewebe aus dem Drucker
22.09.2017 | Universitätsklinikum Freiburg

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: The pyrenoid is a carbon-fixing liquid droplet

Plants and algae use the enzyme Rubisco to fix carbon dioxide, removing it from the atmosphere and converting it into biomass. Algae have figured out a way to increase the efficiency of carbon fixation. They gather most of their Rubisco into a ball-shaped microcompartment called the pyrenoid, which they flood with a high local concentration of carbon dioxide. A team of scientists at Princeton University, the Carnegie Institution for Science, Stanford University and the Max Plank Institute of Biochemistry have unravelled the mysteries of how the pyrenoid is assembled. These insights can help to engineer crops that remove more carbon dioxide from the atmosphere while producing more food.

A warming planet

Im Focus: Hochpräzise Verschaltung in der Hirnrinde

Es ist noch immer weitgehend unbekannt, wie die komplexen neuronalen Netzwerke im Gehirn aufgebaut sind. Insbesondere in der Hirnrinde der Säugetiere, wo Sehen, Denken und Orientierung berechnet werden, sind die Regeln, nach denen die Nervenzellen miteinander verschaltet sind, nur unzureichend erforscht. Wissenschaftler um Moritz Helmstaedter vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main und Helene Schmidt vom Bernstein-Zentrum der Humboldt-Universität in Berlin haben nun in dem Teil der Großhirnrinde, der für die räumliche Orientierung zuständig ist, ein überraschend präzises Verschaltungsmuster der Nervenzellen entdeckt.

Wie die Forscher in Nature berichten (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005), haben die...

Im Focus: Highly precise wiring in the Cerebral Cortex

Our brains house extremely complex neuronal circuits, whose detailed structures are still largely unknown. This is especially true for the so-called cerebral cortex of mammals, where among other things vision, thoughts or spatial orientation are being computed. Here the rules by which nerve cells are connected to each other are only partly understood. A team of scientists around Moritz Helmstaedter at the Frankfiurt Max Planck Institute for Brain Research and Helene Schmidt (Humboldt University in Berlin) have now discovered a surprisingly precise nerve cell connectivity pattern in the part of the cerebral cortex that is responsible for orienting the individual animal or human in space.

The researchers report online in Nature (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005) that synapses in...

Im Focus: Tiny lasers from a gallery of whispers

New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

11. BusinessForum21-Kongress „Aktives Schadenmanagement"

22.09.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zum Biomining ab Sonntag in Freiberg

22.09.2017 | Veranstaltungen

Die Erde und ihre Bestandteile im Fokus

21.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

11. BusinessForum21-Kongress „Aktives Schadenmanagement"

22.09.2017 | Veranstaltungsnachrichten

DFG bewilligt drei neue Forschergruppen und eine neue Klinische Forschergruppe

22.09.2017 | Förderungen Preise

Lebendiges Gewebe aus dem Drucker

22.09.2017 | Biowissenschaften Chemie